本實(shí)用新型涉及光電分析，特別涉及基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置。

背景技術(shù)：

在氣體傳感器中，二極管激光器的輸出光是高度發(fā)散的，因此需要使用準(zhǔn)直光學(xué)元件，例如準(zhǔn)直透鏡。而準(zhǔn)直透鏡的引入會(huì)使得激光器與透鏡之間產(chǎn)生干涉：激光器發(fā)出的垂直入射到透鏡后表面的激光會(huì)有部分反射回激光器，在激光器的前窗口發(fā)生反射，再次垂直入射到透鏡后表面，前后兩次的出射光會(huì)形成一個(gè)干涉。在測(cè)量氣體吸收信號(hào)的過程中，干涉形成的條紋將會(huì)極大地降低氣體檢測(cè)限，因此需要極力避免或者消除。

傳統(tǒng)消除準(zhǔn)直透鏡和激光器間光學(xué)干涉噪聲的方法有：

1.透鏡鍍?cè)鐾改?，鍍?cè)鐾改ぶ荒芤欢ǔ潭壬蠝p小干涉強(qiáng)度，并不能很好地抑制光學(xué)噪聲，而且鍍膜透鏡的透過率會(huì)隨日常擦拭和鏡面污染降低；

2.透鏡和光軸成一定角度。當(dāng)透鏡軸線和光軸的夾角較小時(shí)，光學(xué)干涉噪聲的抑制能力較差；當(dāng)透鏡和光軸夾角較大時(shí)，將存在很嚴(yán)重的像差，光束準(zhǔn)直效果差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本實(shí)用新型提供了一種可抑制干涉噪聲的高精度、低成本的基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置。

本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置，所述氣體分析裝置包括：

光源，所述光源發(fā)出與待測(cè)氣體匹配的測(cè)量光；

探測(cè)器，所述探測(cè)器將與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用后的測(cè)量光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到分析模塊；

音圈電機(jī)，所述探測(cè)器固定在所述音圈電機(jī)上，在光路上來回移動(dòng)；

分析模塊，所述分析模塊利用光譜技術(shù)處理所述電信號(hào)，從而獲知待測(cè)氣體的信息。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述信息為濃度、速度或溫度。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，可選地，所述光源包括：

發(fā)光體，所述發(fā)光體固定在支架上；

支架，所述支架用于承載所述發(fā)光體，支架形成有適于所述發(fā)光體出射光通過的光學(xué)通道；

固定件，所述固定件設(shè)置在所述支架上，適于所述出射光穿過；

光準(zhǔn)直器件，所述光準(zhǔn)直器件固定在所述出射光的光路上，適于準(zhǔn)直所述出射光；

彈性件，所述彈性件設(shè)置在所述光準(zhǔn)直器件的沿其軸線方向上的側(cè)部；

壓電器件，所述壓電器件和彈性件分別設(shè)置在所述光準(zhǔn)直器件的沿其軸線方向的兩側(cè)，所述光準(zhǔn)直器件、彈性件和壓電器件被約束在所述支架和固定件之間。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述支架為套筒，所述套筒為一端具有徑向部分的套筒。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述光準(zhǔn)直器件、彈性件和壓電器件處于所述支架或固定件的內(nèi)側(cè)。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，沿著所述出射光的光路方向上，所述壓電器件、光準(zhǔn)直器件及彈性件正向或反向依次設(shè)置。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，可選地，所述光源包括：

發(fā)光體，所述發(fā)光體固定在支架上；

第一支架，所述第一支架用于承載所述發(fā)光體；

光準(zhǔn)直器件，所述光準(zhǔn)直器件固定在所述發(fā)光體的出射光的光路上，準(zhǔn)直所述出射光；所述光準(zhǔn)直器件的軸線與所述出射光的光軸間的夾角為銳角；

轉(zhuǎn)動(dòng)件，所述光準(zhǔn)直器件固定在所述轉(zhuǎn)動(dòng)件上；

第二支架，所述轉(zhuǎn)動(dòng)件可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在所述第二支架上；

馬達(dá)，所述馬達(dá)用于驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)件及光準(zhǔn)直器件轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述銳角小于30度。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述光準(zhǔn)直器件為平-凸透鏡，所述出射光依次穿過所述透鏡的平面和凸面。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述發(fā)光體是激光器。

根據(jù)上述的氣體分析裝置，優(yōu)選地，所述測(cè)量光與待測(cè)氣體的特征譜線對(duì)應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的有益效果為：

1.本實(shí)用新型創(chuàng)造性地將探測(cè)器固定在音圈電機(jī)上，使得探測(cè)器往復(fù)振動(dòng)，從而改變光源與探測(cè)器之間的距離；由于干涉條紋的間距與干涉距離相關(guān)，探測(cè)器與光源的距離的改變將打亂干涉條紋；一定時(shí)間內(nèi)接收到的光強(qiáng)如果累積疊加將會(huì)使得干涉條紋相互抵消，從而有效地抑制光學(xué)干涉噪聲；

在發(fā)光體出光過程中，利用壓電材料(周期性地微米量級(jí)地)調(diào)整光準(zhǔn)直器件和發(fā)光體之間的距離，從而消除了干涉帶來的光學(xué)噪聲；

光準(zhǔn)直器件表面鍍?cè)鐾改?，進(jìn)一步降低了光學(xué)噪聲；

2.發(fā)光體的出射光的光軸與光準(zhǔn)直器件的軸線的夾角可為零，提高了出射光的準(zhǔn)直效果；

3.音圈電機(jī)具有高響應(yīng)、高速度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，用于氣體傳感器中能夠很好地抑制光源和探測(cè)器之間的光學(xué)干涉噪聲，而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)其他光學(xué)器件造成干擾，實(shí)現(xiàn)容易成本低。

附圖說明

參照附圖，本實(shí)用新型的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是：這些附圖僅僅用于舉例說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而并非意在對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。圖中：

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例1的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例2的光源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例3的光源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例4的光源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

圖1-4和以下說明描述了本實(shí)用新型的可選實(shí)施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施和再現(xiàn)本實(shí)用新型。為了教導(dǎo)本實(shí)用新型技術(shù)方案，已簡(jiǎn)化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實(shí)施方式的變型或替換將在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本實(shí)用新型的多個(gè)變型。由此，本實(shí)用新型并不局限于下述可選實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。

實(shí)施例1：

圖1示意性地給出了本實(shí)施例的基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示，所述氣體分析裝置包括：

光源，如半導(dǎo)體激光器，所述光源發(fā)出與待測(cè)氣體匹配的測(cè)量光，如測(cè)量光的波長(zhǎng)與氣體的特征譜線對(duì)應(yīng)；

探測(cè)器，所述探測(cè)器將與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用后的測(cè)量光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到分析模塊；

音圈電機(jī)，所述探測(cè)器固定在所述音圈電機(jī)上，在光路上來回移動(dòng)，從而調(diào)整光源和探測(cè)器之間的距離；

分析模塊，所述分析模塊利用吸收光譜等光譜技術(shù)處理所述電信號(hào)，從而獲知待測(cè)氣體的信息；分析模塊是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

上述的氣體分析裝置的工作過程，包括以下步驟：

光源發(fā)出與待測(cè)氣體匹配的測(cè)量光，如，測(cè)量光波長(zhǎng)與氣體的特征譜線對(duì)應(yīng)；

測(cè)量光與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用；

探測(cè)器將與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用后的測(cè)量光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到分析模塊；固定在音圈電機(jī)上的探測(cè)器來回移動(dòng)，如探測(cè)器沿其軸線方向振動(dòng)，調(diào)整了探測(cè)器與光源的間距；由于干涉條紋的間距與干涉距離相關(guān)，因此，間距的改變將打亂干涉條紋，一定時(shí)間內(nèi)接收到的光強(qiáng)如果累積疊加將會(huì)使得干涉條紋相互抵消，從而有效地抑制光學(xué)干涉噪聲；

分析模塊利用吸收光譜等光譜技術(shù)處理所述電信號(hào)，從而獲知待測(cè)氣體的信息。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例的基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，所述氣體分析裝置包括：

光源，圖2示意性地給出了本實(shí)施例的光源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示，所述光源包括：

發(fā)光體2，如用于發(fā)射單色光的激光器，所述發(fā)光體固定在支架上；

支架1，如圓形套筒，所述支架用于承載所述發(fā)光體，支架形成有適于所述發(fā)光體出射光通過的光學(xué)通道；

固定件6，如一端具有徑向部分的圓形套筒，所述固定件設(shè)置在所述支架上，適于所述出射光穿過；固定件和支架之間通過螺紋配合，實(shí)現(xiàn)可拆卸；

光準(zhǔn)直器件4，如凸透鏡，所述光準(zhǔn)直器件固定在所述出射光的光路上，適于準(zhǔn)直所述出射光；

彈性件5，如橡膠件，所述彈性件設(shè)置在所述光準(zhǔn)直器件的沿其軸線方向上的側(cè)部；

壓電器件3，如壓電陶瓷，所述壓電器件和彈性件分別設(shè)置在所述光準(zhǔn)直器件的沿其軸線方向的兩側(cè)，所述光準(zhǔn)直器件、彈性件和壓電器件被約束在所述支架和固定件之間，使得當(dāng)壓電器件發(fā)生位移時(shí)，所述光準(zhǔn)直器件隨之來回移動(dòng)，從而不斷地調(diào)整發(fā)光體和光準(zhǔn)直器件之間的距離，消除了光源和透鏡之間的由于干涉產(chǎn)生的光學(xué)噪聲；

探測(cè)器，所述探測(cè)器將與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用后的測(cè)量光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到分析模塊；

音圈電機(jī)，所述探測(cè)器固定在所述音圈電機(jī)上，在光路上沿探測(cè)器軸線來回移動(dòng)(探測(cè)器的軸線與測(cè)量光光軸重合)，從而調(diào)整光源和探測(cè)器之間的距離；

分析模塊，所述分析模塊利用吸收光譜等光譜技術(shù)處理所述電信號(hào)，從而獲知待測(cè)氣體的信息；分析模塊是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

上述的氣體分析裝置的工作過程，包括以下步驟：

光源發(fā)出與待測(cè)氣體匹配的測(cè)量光，如，測(cè)量光波長(zhǎng)與氣體的特征譜線對(duì)應(yīng)，具體為：

發(fā)光體發(fā)出的出射光穿過光學(xué)通道；

出射光被光準(zhǔn)直器件準(zhǔn)直；壓電器件產(chǎn)生位移，從而推動(dòng)所述光準(zhǔn)直器件來回移動(dòng)，從而不斷地調(diào)整發(fā)光體和光準(zhǔn)直器件之間的距離，消除了光源和透鏡之間的由于干涉產(chǎn)生的光學(xué)噪聲；

準(zhǔn)直后的出射光從固定件射出，成為測(cè)量光；

測(cè)量光與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用；

探測(cè)器將與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用后的測(cè)量光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到分析模塊；固定在音圈電機(jī)上的探測(cè)器來回移動(dòng)，如探測(cè)器沿其軸線方向振動(dòng)(探測(cè)器的軸線與測(cè)量光光軸重合)，調(diào)整了探測(cè)器與光源的間距；由于干涉條紋的間距與干涉距離相關(guān)，因此，間距的改變將打亂干涉條紋，一定時(shí)間內(nèi)接收到的光強(qiáng)如果累積疊加將會(huì)使得干涉條紋相互抵消，從而有效地抑制光學(xué)干涉噪聲；

分析模塊利用吸收光譜等光譜技術(shù)處理所述電信號(hào)，從而獲知待測(cè)氣體的信息。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例的基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，與實(shí)施例2不同的是：

1.如圖3所示，光源包括：

發(fā)光體2，用于發(fā)射單色光；所述發(fā)光體固定在第一支架上；

第一支架21，如圓形套筒、安裝板等，所述支架用于承載所述發(fā)光體，支架形成有適于所述發(fā)光體出射光通過的光學(xué)通道；

光準(zhǔn)直器件81，如平-凸透鏡，所述光準(zhǔn)直器件固定在所述發(fā)光體的出射光的光路上，準(zhǔn)直所述出射光；所述光準(zhǔn)直器件的軸線與所述出射光的光軸間的夾角為銳角，如2度、10度、25度等，但不超過30度；

轉(zhuǎn)動(dòng)件31，所述光準(zhǔn)直器件固定在所述轉(zhuǎn)動(dòng)件上；

第二支架71，所述轉(zhuǎn)動(dòng)件可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在所述第二支架上；

馬達(dá)51，所述馬達(dá)用于驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)動(dòng)件及光準(zhǔn)直器件轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.分析單元，所述分析單元包括：平均器、計(jì)算模塊，所述平均器用于平均探測(cè)器傳送來的電信號(hào)攜帶的光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算模塊利用光譜分析技術(shù)處理平均后的光譜數(shù)據(jù)，從而獲知待測(cè)氣體的參數(shù)，如氣體含量、流速等。

上述的氣體分析裝置的工作過程，包括以下步驟：

光源發(fā)出的測(cè)量光被轉(zhuǎn)動(dòng)的光準(zhǔn)直器件準(zhǔn)直，測(cè)量光波長(zhǎng)與氣體的特征譜線對(duì)應(yīng)；

測(cè)量光與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用，如被選擇性吸收；

探測(cè)器將與待測(cè)氣體發(fā)生相互作用后的測(cè)量光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳送到分析模塊；固定在音圈電機(jī)上的探測(cè)器來回移動(dòng)，如探測(cè)器沿其軸線方向振動(dòng)(探測(cè)器的軸線與測(cè)量光光軸重合)，調(diào)整了探測(cè)器與光源的間距；由于干涉條紋的間距與干涉距離相關(guān)，因此，間距的改變將打亂干涉條紋，一定時(shí)間內(nèi)接收到的光強(qiáng)如果累積疊加將會(huì)使得干涉條紋相互抵消，從而有效地抑制光學(xué)干涉噪聲；

平均器平均所述電信號(hào)攜帶的光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算模塊利用吸收光譜技術(shù)處理平均后的電信號(hào)，獲知待測(cè)氣體的濃度等信息。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例的基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，與實(shí)施例3不同的是：

1.如圖4所示，光源包括：

發(fā)光體2選用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；

第一支架21采用具有徑向部分、軸向部分的圓形套筒，所述發(fā)光體固定在所述徑向部分的中心；軸向部分的部分22作為第二支架；

轉(zhuǎn)動(dòng)件31采用軸承，軸承外圈固定在所述第二支架上，也即所述軸向部分的內(nèi)側(cè)；

固定件41，固定件采用套筒，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)件上，即軸承的內(nèi)圈上；

光準(zhǔn)直器件81采用平-凸透鏡，透鏡固定在所述固定件內(nèi)，透鏡的軸線與激光器發(fā)出的測(cè)量光的光軸間夾角為銳角，如5度，透鏡鍍具有便于所述測(cè)量光穿過的增透膜，凸面背對(duì)所述激光器；

馬達(dá)51，如通過電、氣、磁、液壓等方式驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)，用于驅(qū)動(dòng)所述固定件轉(zhuǎn)動(dòng)，使得光準(zhǔn)直器件旋轉(zhuǎn)，但不發(fā)生沿測(cè)量光光路方向上的位移。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例的基于光譜技術(shù)的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，與實(shí)施例4不同的是：

1.不再使用固定件，光準(zhǔn)直器件直接固定在軸承的內(nèi)圈上，馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠馬達(dá)的主動(dòng)輪利用摩擦力驅(qū)動(dòng)內(nèi)圈；

2.第二支架單獨(dú)設(shè)置，所述軸承的外圈固定在所述第二支架上；激光器發(fā)出的測(cè)量光穿過光準(zhǔn)直器件，且光軸與光準(zhǔn)直器件的軸線間的夾角為銳角，如10度、15度、20度、30度等。

實(shí)施例6：

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例2的分析裝置及方法在激光氣體分析儀中的應(yīng)用例。

如圖2所示，在該應(yīng)用例中，發(fā)光體2選用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；所述支架1采用圓形套筒，臨著固定件的一端12的外徑較小(與支架的臨著發(fā)光體的一端的外徑相比)，但內(nèi)徑較大(與支架的臨著發(fā)光體的一端的內(nèi)徑相比)，從而在內(nèi)部形成環(huán)形臺(tái)階，且具有外螺紋，臨著發(fā)光體的一端11的外徑較大，但內(nèi)徑較??；所述發(fā)光體1固定在支架的外徑較大一端的端部；固定件6采用一端具有徑向部分62的圓形套筒，該套筒內(nèi)具有內(nèi)螺紋，與所述外螺紋匹配；壓電器件3采用壓電陶瓷，對(duì)稱地分布在所述環(huán)形臺(tái)階上，壓電器件的線纜穿過支架，壓電陶瓷的振幅微米量級(jí)，諧振頻率可達(dá)幾百千赫茲；沿著激光器出射光方向上的壓電器件的背對(duì)臺(tái)階的一側(cè)設(shè)有光準(zhǔn)直器件4，采用平-凸透鏡，透鏡的軸線與出射光的光軸間夾角為零，透鏡鍍有便于所述激光器出射光穿過的增透膜，凸面背對(duì)所述激光器；彈性件5采用橡膠材質(zhì)，如O型圈，所述壓電器件、光準(zhǔn)直器件和彈性件依次排列地處于所述支架的內(nèi)徑較小部分的內(nèi)側(cè)，處于激光器出射光的光路上；固定件的軸向部分61套在所述支架的外徑較小部分的外側(cè)，徑向部分62阻擋彈性件，使得在沿著激光器出射光的方向上，壓電器件、光準(zhǔn)直器件和彈性件被擠壓在支架和固定件之間。

上述光源的出光方式為：

激光器發(fā)出的激光穿過支架內(nèi)的光學(xué)通道；

出射光被平-凸透鏡準(zhǔn)直；壓電陶瓷產(chǎn)生位移，使得平-凸透鏡來回平移，不斷地調(diào)整激光器和透鏡之間的距離(但激光的光軸與透鏡軸線的夾角仍然為零)，消除了激光器和透鏡之間的由于干涉產(chǎn)生的光學(xué)噪聲

準(zhǔn)直后的出射光從固定件射出。

實(shí)施例7：

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例2的分析裝置及方法在激光氣體分析儀中的應(yīng)用例，與實(shí)施例6不同的是：

1.支架具有臨著激光器的內(nèi)徑較小部分、臨著固定件的內(nèi)徑較大部分，內(nèi)徑較大部分的內(nèi)側(cè)具有內(nèi)螺紋；

與所述支架相匹配的，固定件具有外螺紋；

2.沿著激光器的出射光方向上，彈性件、光準(zhǔn)直器件和壓電器件依次布置在固定件內(nèi)側(cè)，并被臺(tái)階和固定件擠壓，從而當(dāng)壓電器件具有位移時(shí)，光準(zhǔn)直器件發(fā)生來回移動(dòng)。

上述實(shí)施例僅是示例性地給出了發(fā)光體是激光器的情形，當(dāng)然還可以是其他發(fā)光體，如LED等。